TY - THES

T1 - Simulationsgestützte Schneckengeometrieoptimierung für die Herstellung von nanoverstärkten Polypropylencompounds

AU - Winkler-Ebner, Joachim

N1 - gesperrt bis null

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Nanoverstärkte Kunststoffe werden eingesetzt, um mechanische, thermische und rheologische Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen. Sie werden häufig mit gleichläufig kämmenden Doppelschneckenextrudern verarbeitet, wobei die Schneckengeometriekonfiguration oft die zentrale Größe zur Optimierung und Auslegung darstellt. Ziel dieser Masterarbeit war es, durch den Einsatz der CFD-Simulationssoftware Polyflow der Firma Ansys Inc. eine bestehende Schneckengeometrie für die Verarbeitung von zwei unterschiedlichen PP-Nanocompounds im Hinblick auf Schergeschwindigkeit, eingebrachte Scherenergie, Druck und Strömungsverhältnisse zu simulieren. Darüber hinaus sollten die simulierten Druckwerte direkt und die eingebrachte Scherenergie indirekt am Spritzgießcompounder in der Praxis überprüft werden. Außerdem sollte die bestehende Schneckengeometrie anhand der Simulationsergebnisse hinsichtlich Interkalierung und Exfolierung des Schichtsilikats optimiert werden. Für die optimierte Schneckengeometrie wurden die simulierten Druckwerte sowie die eingebrachte Scherenergie ebenfalls praktisch überprüft. Um die simulierten Werte der Scherenergie am Spritzgießcompounder auf ihre Relevanz zu untersuchen, wurden bei beiden Schneckengeometrien zwei Faktorstufen der Compounder-Schneckendrehzahl und des Compounder-Gegendrucks in einem vollfaktoriellen Versuchsplan kombiniert. Für alle Einstellungen dieses Versuchsplans wurden Zugprüfkörper und SAXS-Platten am Spritzgießcompounder produziert. Die Ergebnisse der Zugprüfungen wurden dann statistisch auf Korrelationen mit den Simulationsergebnissen geprüft. Es zeigte sich, dass die simulierten Druckwerte vor allem bei den niedrigen Schneckendrehzahlen des Versuchsplans sowie bei erhöhten Durchsätzen sehr genau mit den realen Drücken übereinstimmten, was die Plausibilität der Simulation im Allgemeinen bestätigt. Die statistisch ausgewerteten Zugfestigkeiten korrelierten ebenfalls sehr gut mit den simulierten Scherenergien der beiden Schneckengeometrien und konnten mit den SAXS-Messungen großteils bestätigt werden. Die simulierten Scherenergien wie auch die Zugfestigkeiten waren bei erhöhter Schneckendrehzahl signifikant höher. Die niedrigeren Scherenergiewerte der optimierten Schneckengeometrie spiegelten sich fast bei allen Zugprüfungen in niedrigeren Zugfestigkeitswerten wider. Dadurch wird die Annahme widerlegt, dass ein höherer Wert der minimalen Verweilzeit eine geringere Scherenergie der Schneckengeometrie für die untersuchten Bedingungen ausgleichen könnte.

AB - Nanoverstärkte Kunststoffe werden eingesetzt, um mechanische, thermische und rheologische Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen. Sie werden häufig mit gleichläufig kämmenden Doppelschneckenextrudern verarbeitet, wobei die Schneckengeometriekonfiguration oft die zentrale Größe zur Optimierung und Auslegung darstellt. Ziel dieser Masterarbeit war es, durch den Einsatz der CFD-Simulationssoftware Polyflow der Firma Ansys Inc. eine bestehende Schneckengeometrie für die Verarbeitung von zwei unterschiedlichen PP-Nanocompounds im Hinblick auf Schergeschwindigkeit, eingebrachte Scherenergie, Druck und Strömungsverhältnisse zu simulieren. Darüber hinaus sollten die simulierten Druckwerte direkt und die eingebrachte Scherenergie indirekt am Spritzgießcompounder in der Praxis überprüft werden. Außerdem sollte die bestehende Schneckengeometrie anhand der Simulationsergebnisse hinsichtlich Interkalierung und Exfolierung des Schichtsilikats optimiert werden. Für die optimierte Schneckengeometrie wurden die simulierten Druckwerte sowie die eingebrachte Scherenergie ebenfalls praktisch überprüft. Um die simulierten Werte der Scherenergie am Spritzgießcompounder auf ihre Relevanz zu untersuchen, wurden bei beiden Schneckengeometrien zwei Faktorstufen der Compounder-Schneckendrehzahl und des Compounder-Gegendrucks in einem vollfaktoriellen Versuchsplan kombiniert. Für alle Einstellungen dieses Versuchsplans wurden Zugprüfkörper und SAXS-Platten am Spritzgießcompounder produziert. Die Ergebnisse der Zugprüfungen wurden dann statistisch auf Korrelationen mit den Simulationsergebnissen geprüft. Es zeigte sich, dass die simulierten Druckwerte vor allem bei den niedrigen Schneckendrehzahlen des Versuchsplans sowie bei erhöhten Durchsätzen sehr genau mit den realen Drücken übereinstimmten, was die Plausibilität der Simulation im Allgemeinen bestätigt. Die statistisch ausgewerteten Zugfestigkeiten korrelierten ebenfalls sehr gut mit den simulierten Scherenergien der beiden Schneckengeometrien und konnten mit den SAXS-Messungen großteils bestätigt werden. Die simulierten Scherenergien wie auch die Zugfestigkeiten waren bei erhöhter Schneckendrehzahl signifikant höher. Die niedrigeren Scherenergiewerte der optimierten Schneckengeometrie spiegelten sich fast bei allen Zugprüfungen in niedrigeren Zugfestigkeitswerten wider. Dadurch wird die Annahme widerlegt, dass ein höherer Wert der minimalen Verweilzeit eine geringere Scherenergie der Schneckengeometrie für die untersuchten Bedingungen ausgleichen könnte.

KW - Extrusion

KW - Schneckengeometrieoptimierung

KW - Schneckensimulation

KW - Polyflow

KW - spritzgießcompoundieren

KW - Schichtsilikat

KW - Nanocompound

KW - extrusion

KW - screw geometry optimization

KW - screw simulation

KW - Polyflow

KW - injection-molding-compounding

KW - layered silicate

KW - nanocompound

M3 - Masterarbeit

ER -